姜林志 張桂香 秦 璞 梁 偉 張 鵬 滕 瀟 梁久平

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博255049)

磁力研磨ZrO2陶瓷材料中，磁極主軸的運(yùn)動(dòng)軌跡與研磨后材料表面的均勻性及質(zhì)量密切相關(guān)，數(shù)控磁極主軸的運(yùn)動(dòng)軌跡是確定磁力研磨加工工藝的重要環(huán)節(jié)。磁極主軸的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)得合理與否，將直接影響ZrO2陶瓷材料工件的表面的加工質(zhì)量尤其是均勻性。因此，對(duì)數(shù)控加工過程中的磁極主軸的軌跡進(jìn)行研究是十分必要的。然而在在實(shí)際磁力研磨加工中，大多采用沿X軸或者Y軸方向一次性直線進(jìn)給或者往復(fù)性直線進(jìn)給來實(shí)現(xiàn)對(duì)材料表面的研磨。但這種方法不是最好的解決方案，應(yīng)該通過對(duì)磁力研磨路徑的分析，編輯出適用于XK7136C數(shù)控銑系統(tǒng)的代碼，設(shè)計(jì)出提高研磨均勻性路徑，并結(jié)合試驗(yàn)證明均勻性的提高。并以此路徑進(jìn)行研磨加工工件可達(dá)到又快又好的結(jié)果。

1 磁極主軸軌跡模型研究

1.1 正弦曲線軌跡

采用正弦曲線軌跡設(shè)計(jì)研磨路徑規(guī)劃時(shí)首先根據(jù)工件的表面尺寸計(jì)算出正弦曲線的振幅A，周期w以及相位φ，再將參數(shù)代入到正弦曲線表達(dá)式中繪制出正弦曲線路徑即可。正弦曲線軌跡函數(shù)表達(dá)式如下:

Y＝A sin(ωt+φ)

起點(diǎn)為X軸與Y軸的原點(diǎn)，磁極主軸從原點(diǎn)開始，沿著正弦曲線完成對(duì)ZrO2工件的磁力光整加工，正弦曲線的路徑如圖1a所示。

1.2 螺旋線曲線軌跡

這種方法同樣是根據(jù)工件的長(zhǎng)寬，參照螺旋線的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的幾何參數(shù)，再將參數(shù)打入到螺旋曲線表達(dá)式中繪制出螺旋曲線路徑。螺旋曲線函數(shù)表達(dá)式如下:

其中:X、Y分別為X軸、Y軸；r為圓面的半徑，即點(diǎn)到中心軸線的距離；t為點(diǎn)與原點(diǎn)的連線在XOY基準(zhǔn)面上的投影與X軸的夾角(即過點(diǎn)與中心軸線的平面與XOZ基準(zhǔn)面的夾角)。磁極主軸從原點(diǎn)開始，沿著螺旋曲線完成對(duì)ZrO2工件的磁力光整加工，螺旋曲線軌跡如圖1b所示。

1.3 環(huán)形線曲線軌跡

此路徑是磁極主軸先沿XOY平面走一個(gè)圓面軌跡，再逐步沿工件長(zhǎng)度的方向向X軸運(yùn)動(dòng)，加工過的軌跡為一個(gè)圓環(huán)緊套一個(gè)圓環(huán)形狀，故稱為環(huán)形線。環(huán)形線函數(shù)表達(dá)式如下:

其中圓的原點(diǎn)為(a，0)，半徑為R，其需要根據(jù)圓的長(zhǎng)寬進(jìn)行確定。磁極主軸從原點(diǎn)開始，沿著環(huán)形線曲線完成對(duì)ZrO2工件的磁力光整加工，環(huán)形線加工軌跡如圖1c所示。

1.4 用Power Mill數(shù)控編程軟件系統(tǒng)仿真加工路徑

使用PowerMill軟件仿真路徑，首先應(yīng)該先載入模型，可利用PowerSHAPE直接造型或者通過Delcam Exchange模塊讀入已經(jīng)繪制好的CAD文件，從而大大提高編程的效率和質(zhì)量。接著進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，包括坐標(biāo)系的設(shè)定；毛坯大小的設(shè)定；加工參數(shù)設(shè)定等。

下一步工藝分析及編制。最后是仿真及后置處理，生成所有刀具軌跡后可調(diào)入機(jī)床文件進(jìn)行仿真，并通過專用后置處理程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為加工G代碼M代碼等數(shù)控指令。用PM仿真的加工軌跡如圖1所示。

2 磁極主軸軌跡試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及分析儀器

加工設(shè)備為XK7136C數(shù)控銑床，將主軸的銑刀改造為研磨主軸，如圖2，具有三軸聯(lián)動(dòng)功能，能實(shí)現(xiàn)各種平面、成形表面，各種復(fù)雜形狀的磁力光整加工，操作系統(tǒng)是北京凱恩帝數(shù)控有限公司所研發(fā)的凱恩帝(KND)數(shù)控系統(tǒng)，測(cè)量、采集數(shù)據(jù)主要設(shè)備包括白光干涉儀，加工對(duì)象參數(shù)120 mm×20 mm×1 mm的ZrO2陶瓷材料。根據(jù)工件材料，分別計(jì)算出正弦曲線、螺旋曲線以及環(huán)形線的參數(shù)。

2.2 試驗(yàn)方案

首先將正弦軌跡曲線、螺旋線軌跡曲線和環(huán)形線曲線軌跡進(jìn)行比較，3種路徑選取相同的主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)給量和磨粒填充量，包括研磨時(shí)采用的研磨液，分別對(duì)相同尺寸的 ZrO2陶瓷工件進(jìn)行加工。加工時(shí)間也相同，加工時(shí)間主要是通過主軸的進(jìn)給計(jì)算出來的。最終根據(jù)加工完畢的ZrO2陶瓷工件，利用白光干涉儀進(jìn)行檢測(cè)，由此來確定出加工后表面質(zhì)量及均勻性最好的加工路徑。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)將PowerMill中路徑生成的G代碼導(dǎo)出后，進(jìn)行預(yù)處理后再導(dǎo)入XK7136C數(shù)控銑床中進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試到路徑正確為止，圖3為環(huán)形線導(dǎo)入數(shù)控銑后的正確調(diào)試結(jié)果。

(2)分別采用正弦曲線，螺旋曲線，環(huán)形線對(duì)長(zhǎng)寬高為120 mm×20 mm×1 mm的ZrO2陶瓷材料工件進(jìn)行加工，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定S＝800 r/min，進(jìn)給量根據(jù)不同的路徑長(zhǎng)度，依據(jù)時(shí)間相同變量確定，加工間隙為2.5 mm。加工時(shí)間為16 min，磨粒填充量為2 mg，研磨液采用水基研磨液。

具體的參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。另外將用不同路徑研磨完畢的ZrO2陶瓷工件用白光干涉儀進(jìn)行檢測(cè)，如圖4所示。

表1 三種曲線的磁力研磨加工參數(shù)

(3)使用白光干涉儀分別對(duì)三種路徑下磁力光整加工下的ZrO2進(jìn)行檢測(cè)，白光干涉儀如下圖4所示。檢測(cè)方式為每個(gè)面取8條直線，再取同一條線上的6個(gè)點(diǎn)，同時(shí)觀察此點(diǎn)所在的直線處斷面的剖面圖。分別記錄下來，通過計(jì)算取48個(gè)點(diǎn)的平均值為此檢測(cè)面的表面粗糙度值，每種加工路徑選取6個(gè)面，計(jì)算出這6個(gè)面的粗糙度均值，再與其他兩種加工路徑的粗糙度進(jìn)行比對(duì)，可以得出加工均勻性最好的磁力光整加工ZrO2材料的路徑。最后通過生成加工后的三維形貌圖來反映3種路徑加工后的表面一致性效果。

(4)為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要更換2至3種初始粗糙度不同的ZrO2陶瓷材料進(jìn)行重復(fù)多組試驗(yàn)，重復(fù)前面的步驟，得出最終的結(jié)論。通過對(duì)多組試驗(yàn)的綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，得出加工一致性效果最好的一種路徑。

3 結(jié)果分析

通過對(duì)加工后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別對(duì)三種路徑加工后工件的粗糙度值進(jìn)行分析，如表2。由表中結(jié)果可知，采用正弦曲線路徑加工的ZrO2陶瓷工件粗糙度平均值為0.646μm，采用螺旋曲線路經(jīng)加工的粗糙度平均值為0.606μm.采用環(huán)形線路徑加工的工件粗糙度平均值為0.501μm。通過結(jié)果分析可以知道，采用環(huán)形曲線加工時(shí)，因在相同的進(jìn)給路徑條件下，所加工的面積域較大，故加工后表面所能達(dá)到的加工一致性(均勻性)較好。

表2 三種路徑加工粗糙度值分析 μm

再以加工時(shí)間為自變量，表面粗糙度Ra和材料去除量為因變量進(jìn)行加工與檢測(cè)，每?jī)煞昼姍z測(cè)一次表面粗糙度與裁量去除量，繪制加工時(shí)間與表面粗糙度與材料去除量的折線圖，如圖5所示。

由圖5a分析可知前2 min，三種路徑曲線下粗糙度值減小速度基本相同，過了4 min時(shí)，環(huán)形加工路徑下粗糙度值減小速度的明顯快于其他兩種直線，最終達(dá)到一定數(shù)值不再明顯減小，同時(shí)最終的材料去除量也多于前兩種路徑，加工效率更高。由圖6可知環(huán)形曲線加工路徑加工后的二維表面形貌均勻性明顯優(yōu)于正弦、螺旋兩種加工路線，表面更加平整光滑。由圖7的三維形貌圖可以看出，正弦曲線加工的表面形貌均勻性一般且粗糙度較大，螺旋曲線加工雖然粗糙度較低但是均勻性較差，而環(huán)形曲線加工不僅粗糙度低且均勻性好。故加工時(shí)應(yīng)考慮環(huán)形曲線加工。

4 結(jié)語

(1)在相同的加工條件下，采用環(huán)形曲線加工后的表面均勻性優(yōu)于正弦曲線軌跡路徑與螺旋曲線的軌跡路徑。原因是在相同的加工條件下，采用環(huán)形曲線加工的ZrO2陶瓷工件走過的加工面積要多于正弦曲線路徑和螺旋曲線路徑，故在相同條件下，要先優(yōu)先考慮環(huán)形曲線加工。

(2)在相同加工條件下，采用環(huán)形曲線加工后的工件的表面粗糙度要優(yōu)于另外兩種路徑。原因是環(huán)形曲線路徑對(duì)同一面域的重復(fù)加工性要強(qiáng)于另外兩種路徑，同一面域的表面在環(huán)形曲線路徑回旋過程中會(huì)被多次光整，大大提高了ZrO2工件的光整加工效率。

(3)采用環(huán)形曲線工件進(jìn)行磁力光整加工時(shí)，需要根據(jù)工件的長(zhǎng)寬高等參數(shù)調(diào)整曲線方程，從而進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為G代碼M代碼等調(diào)試機(jī)床程序，在調(diào)試好的機(jī)床程序上便可進(jìn)行相應(yīng)加工，保證了加工的通用性。